(57)【要約】【課題】  利用者である個体の静的支持要素の状態に適合した最適の挙動が可能な人工関節の設計方法およびそれにより製作された人工関節構造を提供することを目的とする。【解決手段】  関節の運動様式、関節表面の形状および靱帯等の静的支持要素の３者を独立変数として連立解析した所定の計算式に基づいて計算された形状にて関節接触面を形成する人工関節の設計方法において、前記靱帯等の静的支持要素の個体毎の力学的活性率を考慮して、微小区間運動したときに力学的に安定する所定の計算式に基づいて計算された形状に関節接触面を形成することを特徴とするもので、関節部における靱帯等の静的支持要素が、解剖学的に異常な病的関節や手術的侵襲で静的支持要素の構造、さらには運動方向が欠如あるいは変化した関節部に対しても、利用者個体の静的支持要素に適応させた本来の最適な運動様式による挙動が可能な人工関節の設計が可能となる。【選択図】  図５
2005007157.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに３次元的な複合運動をなす骨材（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）の端部間に単関節接触面を形成する人工関節の設計方法であって、関節の運動様式、関節表面の形状および靱帯等の静的支持要素の３者を独立変数として連立解析した所定の計算式に基づいて計算された形状にて関節接触面を形成する人工関節の設計方法において、前記靱帯等の静的支持要素の個体毎の力学的活性率を考慮して、微小区間運動したときに力学的に安定する所定の計算式に基づいて計算された形状に関節接触面を形成することを特徴とする人工関節の設計方法。
【請求項２】
多数の靱帯等の静的支持要素を有して側方動揺性なしに互いに蝶番型運動をなす骨材の端部間に関節接触面を形成する人工関節の設計方法であって、関節の運動様式、関節表面の形状および靱帯等の静的支持要素の３者を独立変数として連立解析した所定の計算式に基づいて計算された形状にて関節接触面を形成する人工関節の設計方法において、個体毎の前記多数の靱帯等の静的支持要素のそれぞれの力学的活性率を考慮して、微小区間運動したときに力学的に安定する所定の計算式に基づいて計算された形状に関節接触面を形成することを特徴とする人工関節の設計方法。
【請求項３】
前記請求項１または２に記載された人工関節の設計方法を利用したモバイル型人工膝関節の設計方法において、脛骨ベースプレート（ｂａｓｅ  ｐｌａｔｅ）上を滑走する半月板に相当するモバイルベアリングインサート（ｍｏｂｉｌｅ  ｂｅａｒｉｎｇ  ｉｎｓｅｒｔ）の変位ベクトルおよび力のベクトルを計算して人工関節界面の動きを定量化することで、膝関節を設計することを特徴とするモバイル型人工膝関節の設計方法。
【請求項４】
前記請求項１または２に記載された人工関節の設計方法を利用したロボットジョイント連結部のデータ処理方法において、所定の関節角度でその肢位を安定させるために力学的に寄与している連結部を代表する点を、力学的活性中心（ａｃｔｉｖｅ  ｃｅｎｔｅｒ）と定義し、これを次式にて表したことを特徴とするロボットジョイント連結部のデータ処理方法。
【数３２】
2005007157.tif 000038
ただし、ＡＲk はある連結部Ｏk の力学的活性率（ａｃｔｉｖｅ  ｒａｔｅ）、ＫT はｃｏｍｐｏｎｅｎｔの連結部位の総数、ＯＯK は連結部ＯK の空間座標とする。
【請求項５】
前記請求項１〜３に記載された人工関節設計方法あるいは請求項４に記載されたデータ処理方法によって導出・製作された人工関節構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の範疇は、生体の関節のバイオメカニカルな研究を基礎にしており、一般的な産業機械の関節（ジョイント）を含む。特に、その効果をより発揮する領域は、「生物の関節（ジョイント）に観られるような３次元的な複合運動ができる単関節」である。これは人工関節、義肢の関節（ジョイント）、ロボットジョイントに利用されることが予想される。現在考え得る利用分野について以下のような分野がある。
【０００２】
＜人工関節の設計製作＞  
各個人（個体）に残存しているところの、関節の静的支持要素の能力に応じた表面形状をもつ人工関節である。ここで取り扱う残存静的支持要素は、靱帯や関節包等の受動的に関節の支持性を担う組織である。これらは正常な状態のみならず、外傷や疾病または手術的侵襲で、本来の形態から変化した状態を含んで考慮される。
＜義肢用関節（ジョイント）の設計製作＞  
機能的および美容的に自然な人間の手指・足趾・手関節・足関節・膝関節等を再現できる義肢（特に能動義手）に搭載する関節（ジョイント）である。
＜ロボットジョイント、産業機械用関節ジョイントの設計製作＞
単関節で、３次元的な複合運動が可能な形態を持つジョイントである。これは各種産業用機械に搭載でき、特にヒトを含む動物関節の自然で美しい動きと形態を再現できる手（ｈａｎｄ）や腕（ａｒｍ）のジョイントとしての優位性を有する。
【背景技術】
【０００３】
＜人工関節の設計製作＞
人工関節はバイオメカニカルに研究され製作された関節（ジョイント）であるが、現在製作されている人工関節は、運動様式と解剖学的形状とを同時に満足させるものではない。それは運動様式か、解剖学的な形状かの、どちらか一方を人間の関節に近づけたものが一般的である。例えば、人間生来の母指手根中手関節（母指ＣＭ関節）は鞍型関節の形状を採るが、人工母指ＣＭ関節では、カップとボールで対をなす球関節の形状をしたものが実用化され普及している。これは、球関節の運動様式の特徴である「５自由度」を再現させるための形状である。しかしこの形状では、本来の母指ＣＭ関節の鞍型という形状がもつ「動作時の回旋に対する安定性」が損なわれる。
【０００４】
また、他の例として膝関節を挙げると、人間生来の膝関節は蝶番型関節の形状であり、人工膝関節も近位側凸面、遠位側凹面という２つの顆部を有する形状（ｂｉｃｏｎｄｙｌｅ）をしている正常の人間が持つ蝶番型の膝関節の形状が設計の基本になっている。しかし人工関節置換手術の適応になる膝関節は，靱帯等の静的支持要素が解剖学的に正常状態とは異なる構成をした病的関節、または手術的侵襲で静的支持要素の構造、さらには運動方向が欠如あるいは変化した関節である。したがって、このような異常な要素で構成されている関節に対して、正常の人間の解剖学的形状を持った人工膝関節では、本来の人間の運動様式を再現させることはできない。
【０００５】
現段階で実用化されている多くの人工関節の、この解剖学的な形状と運動様式との間の落差は、人工関節置換手術施行後の関節の可動域制限や運動時の不安定性の間題の根本的な原因となり、そして磨耗の一因として耐久性に影響する。したがって，人工関節の機能性、耐久性を向上させるためには、この落差が生体ではどのように解決されているのかを抜本的に解明できる、従来には論議されていない新たな理論に基づいた解決策が必要である。
【０００６】
＜義肢用関節（ｊｏｉｎｔ）の設計製作＞
義肢の必要条件は、軽量であること、構造が単純であること、ヒトの四肢の形と動きを再現できることである。現在、義肢は種々考案されているがこれらの条件を充分に満たす基本的な技術は未だ確立していない。義肢の中でも、精級な動きを必要とする義手として電動義手があり、その開発は、我が国ではサリドマイド薬禍上肢欠損障害児から始まった。医学と工学の共同事業として展開し、徳島大学等、各大学で実施、早稲田大学（加藤）のワイムハンド、また科学技術庁ではマイクロコンピュータ制御による前腕電動義手等がある。筋電義手は過去２０数年間研究がなされて最近実用化されつつあり、神戸大学、北海道大学、広島県東部工業技術センター等も開発を進めている。これらの義手は、ヒトの運動制御機構を取り入れ、マイクロプロセツサを用いることで小型化に成功している。しかし現段階でも母指・示指・中指が連動して指の屈伸を行う自由度１であり、指の関節が本来もつ複合動作には至っていない。利用者が望む外観上および動作時の自然で美しい手とは言い難い。
【０００７】
＜ロボットジョイント（ｊｏｉｎｔ）および産業器械用ジョイントの設計製作＞
現在、産業器械に汎用されている関節は、形状が単純であると同時にその動きも単純である。したがって複合的な運動をさせるには、これらの単純な関節を組み合わせることになるが、これは器械自体の全体重量が増すのみならず、関節の周辺状況、すなわち関節を動かす方向やその駆動装置が複雑になる。また、ロボットの分野では、生体の動作を構造的に再現する関節は存在しない。そのようなことから、本件発明者は、動物関節の基本形態を力学的に解析し新しい関節を設計しようとする試みを提案した（下記特許文献１参照）
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−２１７８４９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前記特許文献１にて提案した技術「関節の形態を表現する計算式」では、関節の拘束点というべき静的支持要素の付着点に対し、力学的な定量化が考慮されていない。現実の動物等の生体の静的支持要素、例えば靱帯では、関節が動くとき、ある靱帯付着部点には０％か１００％かの負荷が加わるのではなく、０％から１００％の間の連続的な負荷が加わる。すなわち前記従来法では靱帯付着部内の各点の負荷状態という情報が設計に反映され難いのである。
【００１０】
そこで本発明は、前記本件発明者の提案になる「関節の形態を表現する計算式」をさらに改良して、前記計算式に静的支持要素の状態を付加することで、利用者である個体の静的支持要素の状態に適合した最適の挙動が可能な人工関節と、義肢用関節、ロボットジョイントおよび産業器械用ジョイントの設計方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このため本発明は、互いに３次元的な複合運動をなす骨材（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）の端部間に単関節接触面を形成する人工関節の設計方法であって、関節の運動様式、関節表面の形状および靱帯等の静的支持要素の３者を独立変数として連立解析した所定の計算式に基づいて計算された形状にて関節接触面を形成する人工関節の設計方法において、前記靱帯等の静的支持要素の個体毎の力学的活性率を考慮して、微小区間運動したときに力学的に安定する所定の計算式に基づいて計算された形状に関節接触面を形成することを特徴とする。また本発明は、多数の靱帯等の静的支持要素を有して側方動揺性なしに互いに蝶番型運動をなす骨材の端部間に関節接触面を形成する人工関節の設計方法であって、関節の運動様式、関節表面の形状および靱帯等の静的支持要素の３者を独立変数として連立解析した所定の計算式に基づいて計算された形状にて関節接触面を形成する人工関節の設計方法において、個体毎の前記多数の靱帯等の静的支持要素のそれぞれの力学的活性率を考慮して、微小区間運動したときに力学的に安定する所定の計算式に基づいて計算された形状に関節接触面を形成することを特徴とする。また本発明は、前記人工関節の設計方法を利用したモバイル型人工膝関節の設計方法において、脛骨ベースプレート（ｂａｓｅ  ｐｌａｔｅ）上を滑走する半月板に相当するモバイルベアリングインサート（ｍｏｂｉｌｅ  ｂｅａｒｉｎｇ  ｉｎｓｅｒｔ）の変位ベクトルおよび力のベクトルを計算して人工関節界面の動きを定量化することで、膝関節を設計することを特徴とする。また本発明は、前記人工関節の設計方法を利用したロボットジョイント連結部のデータ処理方法において、所定の関節角度でその肢位を安定させるために力学的に寄与している連結部を代表する点を、力学的活性中心（ａｃｔｉｖｅ  ｃｅｎｔｅｒ）と定義し、これを次式（〔数３２〕）にて表したことを特徴とする。また本発明は、前記人工関節設計方法あるいはデータ処理方法によって導出・製作された人工関節構造を特徴とするもので、これらを課題解決のための手段とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、互いに３次元的な複合運動をなす骨材（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）の端部間に単関節接触面を形成する人工関節の設計方法であって、関節の運動様式、関節表面の形状および靱帯等の静的支持要素の３者を独立変数として連立解析した所定の計算式に基づいて計算された形状にて関節接触面を形成する人工関節の設計方法において、前記靱帯等の静的支持要素の個体毎の力学的活性率を考慮して、微小区間運動したときに力学的に安定する所定の計算式に基づいて計算された形状に関節接触面を形成することにより、互いに３次元的な複合運動をなす骨材の端部間に単関節接触面を形成する関節部における靱帯等の静的支持要素が、解剖学的に正常状態とは異なる構成をした病的関節、または手術的侵襲で静的支持要素の構造、さらには運動方向が欠如あるいは変化した関節部に対しても、利用者個体の静的支持要素に適応させた本来の最適な運動様式による挙動が可能な人工関節の設計が可能となる。
【００１３】
また、多数の靱帯等の静的支持要素を有して側方動揺性なしに互いに蝶番型運動をなす骨材の端部間に関節接触面を形成する人工関節の設計方法であって、関節の運動様式、関節表面の形状および靱帯等の静的支持要素の３者を独立変数として連立解析した所定の計算式に基づいて計算された形状にて関節接触面を形成する人工関節の設計方法において、個体毎の前記多数の靱帯等の静的支持要素のそれぞれの力学的活性率を考慮して、微小区間運動したときに力学的に安定する所定の計算式に基づいて計算された形状に関節接触面を形成することにより、側方動揺性なしに互いに蝶番型運動をなす骨材の端部間に単関節接触面を形成する関節部における靱帯等の静的支持要素が、解剖学的に正常状態とは異なる構成をした病的関節、または手術的侵襲で静的支持要素の構造、さらには運動方向が欠如あるいは変化した蝶番型の関節部に対しても、利用者個体の静的支持要素に適応させた本来の最適な運動様式による挙動が可能な人工関節の設計が可能となる。
【００１４】
さらに、前記人工関節の設計方法を利用したモバイル型人工膝関節の設計方法において、脛骨ベースプレート上を滑走する半月板に相当するモバイルベアリングインサートの変位ベクトルおよび力のベクトルを計算して人工関節界面の動きを定量化することで、膝関節を設計することにより、モバイルベアリングインサートは、単に関節面の中心付近の周りを同心円的に回転するのではなく、その運動は、関節の運動に効果が大きく、関節接触面により近い靱帯付着部に大きく影響を受けることが導出される。このモバイルベアリングインサートの軌跡は、本法により定量化され、人工関節のモバイルベアリングインサートとベースプレート部分が具体的に設計される。
【００１５】
さらにまた、前記人工関節の設計方法を利用したロボットジョイント連結部のデータ処理方法において、所定の関節角度でその肢位を安定させるために力学的に寄与している連結部を代表する点を、力学的活性中心（ａｃｔｉｖｅ  ｃｅｎｔｅｒ）と定義し、これを次式（〔数３２〕）にて表したことにより、力学的活性中心を動物関節の靱帯付着部群を各々代表する点に関しロボットジョイントの連結点に置き換えて、非常に複雑な支持機構を有する動物関節の形態を、シンプルなロボットジョイントの形態に置き換えることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の人工関節の設計方法の実施の形態を図面および理論解析と数式を用いて詳細に説明する。本発明では動物関節のバイオメカニズムを基にして、その静的支持要素の条件と運動の条件を満たす関節（ジョイント）を設計する。動物関節の静的支持要素とは、靱帯等の受動的な軟部支持組織を指す。また動物関節の運動とは、例えば屈曲伸展という簡単な蝶番運動においても、その一連の動作中で「すべり」と「回旋」が間時に起こり合目的的な動きを完成させるような、複合的な運動である。
【００１７】
本発明は「動物の関節の、精緻な構造と運動形態を一元化する基礎理論」を応用した、「目的の範囲（ｒａｎｇｅ）でｔｉｇｈｔに安定かつ円滑に動作する関節」の形態を計算し設計製作する方法である。以下、本発明によるこのような関節をバイオメカニカルジョイント（Ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｊｏｉｎｔと）と定義する。ここで、バイオメカニカルジョイントの形態とは、当該関節を構成する骨材（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）同士の連結部（静的支持要素）での力の分布を加味した、ｃｏｍｐｏｎｅｎｔの接触面を持つ関節あるいはジョイントを指す。本発明によれば動きと安定性を、駆動力や駆動方向に依存せず、それ自体の形態で制御する関節の設計製作方法が確立される。以下、バイオメカニカルジョイントの設計概念を記す。
【００１８】
本発明の基礎理論では、関節の機能的状態は、運動様式、関節表面の形状、そして静的支持要素の３者を独立変数として、各々の相補的関係で決定されるものと考えている。すなわち、関節の解剖学的形状と運動様式との関係を理解するために、この３者を連立させて解析できる理論を考え、ベクトル解析と幾何学を用いて数式化したものである。さらにこの理論に、静的支持要素の力学的活性率をａｃｔｉｖｅ  ｒａｔｅと定義して加味し、より詳細な関節の接触面の形状を設計した。すなわち、関節の機能状態を運動時の力学的状態（Ｎ）、運動様式を運動の方向（Ｄ）、静的支持要素を軟部支持組織（Ｓ）、関節表面の形状をそれぞれ含む骨および軟骨組織（Ｍ）に置き換え、〔数１〕の関係に表せると仮定する。そして、Ｎ、Ｄ、Ｓ、Ｍ、の本質的要素を以下のように対応させた。
【００１９】
複数の静的支持要素付着部座標（ｓ）を運動中心にして、骨および軟骨内の質点（ｍ）が任意の方向に回転（ｄ）するとき、得られる関節表面上の点のまわりのモーメント（ｎ）は、〔数２〕で力学状態を表し得る。次に、初期条件を定めて、〔数３〕〔数４〕と順次、元を減らせ目的の数式を求める。
【数１】
2005007157.tif 000003
【数２】
2005007157.tif 000004
【数３】
2005007157.tif 000005
【数４】
2005007157.tif 000006
【００２０】
この結果、「関節の幾何学的表面形状を表す理論式」を得た。これは微小区間運動したときに力学的に安定する関節接触面の形状を計算設計する理論および数式である。本法を用いると、上記の各独立変数を自由に変化させることで、末知の関節の形態をｓｉｍｕｌａｔｉｏｎすることが可能である。この理論を応用した技術により、目的に応じた範囲で力学的に安定円滑に動作する関節について、それを構成する各Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔの運動方向、接触面の形状、連結様態をコンピュータを用いてＣＡＤ等で計算設計することが可能になる。なお関節のバイオメカニズムの上で、新たに独立変数であると見なされる要素また各独立変数に従属する要素が見い出された場合、それらはこの概念の中に随意付加し得る。
【００２１】
＜具体的実施例＞
「靱帯等の静的支持要素の力学的活性率（ａｃｔｉｖｅ  ｒａｔｅ）を考慮して計算された接触面の形状を持つ関節」
関節が生理学的に動く条件下では、靱帯付着部は、関節を構成する２つの骨の距離の変化が最小になる部位のひとつである。したがって、靭帯付着部は、関節の近位側および遠位側の剛体の運動中心と考えることができる。この概念を基本として、関節の運動を、力学的にベクトル解析する。
【００２２】
図１に示す、点Ｑを関節近傍の任意の点、点Ｏk を一つの靱帯付着部とする。そして、すべての点が、点Ｏk で規定される空間で、単位質量をもつ任意の点Ｑが微小区間動いたとき発生する力のベクトルを考える。これは、図１のように定義された、頂点Ｏk を固定点とした直円錐底面上の点Ｑの運動に単純化される。直円錐Ｏk Ｃk ,t=0  Ｐk,t=0 の底はＺ軸に垂直で、Ｏk 上を中心にｘ−ｙ平面に平行な面上をｙ軸方向に、角速度θk で転がる、と定義すると、ｔ時間後の位置ベクトル：Ｏk Ｑt は、〔数５〕で表される。
【００２３】
【数５】
2005007157.tif 000007
【００２４】
また、関節がある安定静止肢位から微少区間動いたとき、Ｏk を中心に点Ｑに発生する力をｆk とすると〔数６〕となる。
【数６】
2005007157.tif 000008
その肢位で安定性に関与する靱帯線維付着部が複数個あれば、点Ｑに働く力の総和は〔数７〕で表し得る。すなわち点Ｑは複数個の靭帯付着部から影響を受ける力学的なベクトル場Ｂの中に存在すると考えることができる。（ただし、関節は、微小区問の運動毎に、力学的に安定となる靭帯線維、あるいは靭帯付着部の構成が変化する。）
【数７】
2005007157.tif 000009
【００２５】
このベクトル場Ｂの中で回転する物質（アモルファスな物質の集合体）を考え、その運動状態をこの集合体内の特定の軸に働くモーメントｎk であらわす。図２のように、点Ｐ点Ｃk,t を通る半径上の、はりＳに作用する、点Ｐのまわりのモーメント：ｎk は、〔数８〕で表される。
【数８】
2005007157.tif 000010
したがって、図３のように複数の固定点を持つ直円錐によるモーメントの総和：Ｎは、〔数８〕を用いて、〔数９〕のように導かれる。〔数９〕を『関節の運動の力学的状態式』とする。
【数９】
2005007157.tif 000011
【００２６】
また、ＡＲk は、ある連結部ｋの力学的活性率（ａｃｔｉｖｅ  ｒａｔｅ）として
【数１０】
2005007157.tif 000012
ただしＫT ：ｃｏｍｐｏｎｅｎｔの連結部位の総数、Ｋａ：ＫT の中で当該関節の安定のために活性化している連結部位の数と定義すると、静的支持要素の力学的活性率を考慮して計算された接触面の形状を持つ関節は以下のように表現される。
【数１１】
2005007157.tif 000013
【００２７】
「靱帯等の静的支持要素の力学的活性率を考慮して計算された接触面の形状を持ち、側方動揺性がない運動をする蝶番型人工関節」
次に、間節が側方動揺性のない運動をするときの、力学的状態を理論的に表現する。蝶番型の関節の運動で、側方動揺性がないためには、前記〔数１１〕において、Ｘ軸方向のモーメント〔数１２〕が、必要条件である。
【数１２】
2005007157.tif 000014
したがって、蝶番型運動の関節の表面の力学的状態を表す理論式は〔数１３〕として表される。
【数１３】
2005007157.tif 000015
【００２８】
〔数１３〕において、はりＳの回転は、ｘ軸まわり、かつ、ｙ軸で正の方向である。関節が単一関節面として屈曲するには、「数１３」で表される図形の、どちらか一方の領域の回転方向が、〔数１４〕で表される面を境界にして、逆転することが必要である。すなわち、関節表面は、〔数１４〕の面ｚ軸方向に、相対的に回旋する。
【数１４】
2005007157.tif 000016
【００２９】
以上より、関節が蝶番型の運動をするとき、その表面の形態を示す式は、〔数１１〕、〔数１３〕、〔数１４〕を利用して、〔数１５〕として表される。ここで、靭帯等の静的支持要素の力学的活性率を考慮して計算された接触面の形状を持ち、側方動揺性がない運動をする蝶番型人工関節は〔数１５〕として表される。
【数１５】
2005007157.tif 000017
【００３０】
＜簡略化と具体的実施例＞
「簡略化」
簡略化の第１方法として、図１の直円錐ＯＣk,t=t1について運動時に発生する力を底の中心Ｃk,t=t1のみに代表させて考える。
【００３１】
【数１６】
2005007157.tif 000018
であり、                                                                          
【００３２】
【数１７】
2005007157.tif 000019
および、
【数１８】
2005007157.tif 000020
として〔数６〕〔数７〕〔数８〕〔数９〕〔数１０〕から、
【数１９】
2005007157.tif 000021
【００３３】
さらに、〔数１２〕より、
【数２０】
2005007157.tif 000022
【数２１】
2005007157.tif 000023
【００３４】
【数２２】
2005007157.tif 000024
【数２３】
2005007157.tif 000025
と表記され、また、直円錐群の底の中心のｘ座標とｙ座標は各々共通であるから、
【数２４】
2005007157.tif 000026
以上により、〔数１３〕は、
【数２５】
2005007157.tif 000027
と表現される。
【００３５】
次に、静的支持要素の付着点に、具体的数値を代入して計算した関節Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔの接触面を例証する。「４つの靭帯で構成される関節の理論式」は、ｋ＝４として求められ、「４つの靭帯で構成される関節の理論的関節面の形状」は、〔数２２〕および、〔数１５〕から、図４（Ａ）および図４（Ｂ）のように計算描画される。また静的支持要素が多数あり、しかも各々の付着点の力学的活性率が１００％である場合の蝶番型関節面は図５のように設計される。
【００３６】
さらに、多数の静的支持要素の各々の付着点の力学的活性率が、関節の角度で変化する場合の関節面は図６のように計算描画される。図７は実際にブタ第２指ＭＰ関節の基節骨小指側側副靱帯付着部で計測され、この計算に用いられた力学的活性率の一例である。図８は多数の静的支持要素の付着点が２群に分かれている場合の関節断面を計算したものである。断面は回転方向に垂直な面とした。各群の力学的活性率の総和に適合した関節接触面の形状が計算設計される。
【００３７】
本発明の人工関節の設計方法によると、以下の用途で簡単で軽量な構造物が製作可能になり、医療の他、各種産業、工業等の関節に応用される。
＜人工関節の設計製作＞
人工関節は、平成１０年度の報告では６００から７００億の国内市場であるが、今後２桁ののぴが予想されている。若年者に発生した疾患、事故による関節損傷のみならず、高齢化社会に伴う変形性関節症により、関節が機能不全に陥り、人工関節置換手術を受ける機会は増大傾向にある。人工股関節が現在、需要が最も多いが、本技術は動きが複雑な関節、特に股関節以外の人工関節に優位性があると考えられ、本技術の確立によりさらに新しい人工関節市場も発生すると考える。
【００３８】
＜ロボット用および産業器械用ジョイントの設計製作と、義肢用関節の設計製作＞
本発明によるバイオメカニカルジョイントのように、複雑な動きをｃｏｍｐｏｎｅｎｔ接触面の形状に依存させると、少数の関節の組み合わせで、用途に応じた運動方向を制御し得る。これは駆動装置（ａｃｔｕａｔｏｒ）を少なくでき、エネルギー消費や品質管理の面でも有利となる。同時に、構造物の軽量化と安価な製作が可能になる。また総じて耐用年数を向上させ得る。さらに自然で美しいａｒｍやｈａｎｄの動きを関節の形状で保証する。義肢に関しては、同様の理由で、例えば地雷で欠損した四肢に対し、本技術を用いた精巧で軽量、強靱な義肢の安価な提供を可能にする。
【００３９】
＜モバイル型人工膝関節への適用＞
「モバイル型人工膝関節における脛骨ベースプレートとモバイルベアリングインサート部分の設計方法」
安定性と可動性を兼ね備えた人工関節として、膝関節では、固定型人工膝関節（ｆｉｘｅｄ  ｂｅａｒｉｎｇ  ｋｎｅｅ）に置き換わり、モバイル型人工膝関節（ｍｏｂｉｌｅ  ｂｅａｒｉｎｇ  ｋｎｅｅ）という設計理論に基づくデザインが普及している。生体の膝関節は、靱帯の構成、運動形態、解剖学的な形状が複雑に影響しあっており、半月板という変形可能な介在物がそれらの要素を調和させる働きを持つ。モバイルベアリングインサートは生体の半月板の代替的なものとしての機能が期待されている。
【００４０】
しかし、実際の人工関節置換手術に当たって、膝関節の屈伸に合わせて可動することを目的として設定されたモバイルベアリングインサートが、想定通りの挙動をしていないことが観察される。これは、現在のモバイルベアリングインサートのベースプレート上を滑走する仕様が、この人工関節置換後の膝の動きと靱帯の構成に充分調和していないためであると推察される。モバイル型人工膝関節では、固定型人工膝関節に比べインサートが可動性を持つため、人工関節の脛骨側での設置不良が自然に解消されるという付加的効果もあり、手術手技を補う点で基本的に優れたデザインである。今後は、人工関節の術後成績をさらに向上させるために、人工関節置換後の「膝の動き−靱帯の機構−人工関節の構造」の関係のミスマッチを解消する設計方法が必要となる。
【００４１】
前述の「人工関節の設計方法」では、「運動様式−靱帯の機構−接触面の形状」が調和するジョイントを「バイオメカニカルジョイント」と定義し、この設計方法を提案した。このバイオメカニカルジョイントの設計技術をさらに進めて、人工関節界面の動きを定量化することで、モバイル型人工膝関節の新しい設計方法を提案する。この方法は、モバイル型人工膝関節においてベースプレート上を滑走するモバイルベアリングインサートの変位ベクトルおよびそのとき受ける力のベクトルを計算する。前述の図１のように定義された各変数において、直円錐ＯＣk,t=t1において、固定点Ｏk によって運動を干渉される底に含まれる点Ｐk,t=t1が変位する方向と量、またそのときに受ける力の方向と量は、以下のように求められる。
【００４２】
【数２６】
2005007157.tif 000028
であるから、
【数２７】
2005007157.tif 000029
したがって、直円錐ＯＣk,t=t1において点Ｐk,t=t1が変位する方向と量は次のベクトルで表される。
【数２８】
2005007157.tif 000030
【００４３】
また、そのときに受ける力の方向と量は次のベクトルで表される。
【数２９】
2005007157.tif 000031
したがって、前述の図３のような、複数の固定点による直円錐群で干渉される底に含まれる点Ｐの変位方向と変位量Ｖは次のベクトルで表される。
【００４４】
【数３０】
2005007157.tif 000032
＜まとめ＞
「人工関節の設計方法」により関節面の変位ベクトルと各点に及ぼされる力のベクトルは〔数３０〕のように表され、これを描画することにより、ベースプレート上のモバイルベアリングインサートの軌道が設計され、さらにモバイルベアリングインサートが受ける力のベクトルが予見される。
【００４５】
＜具体的な実施例＞
数式の簡略化を行い、具体的な実施例を示す。
【数３１】
2005007157.tif 000033
と仮定すると、「人工関節の設計方法」により、図９のＡ図のような人工関節の接触形状が設計され、さらに本法〔数３０〕により接触面が変位ベクトルと力のベクトルが得られる。図９のＢ図に、本法により計算された関節接触面の動きと、従来のＮｅｗ  Ｊｅｒｓｅｙ  ｋｎｅｅ  ｐｒｏｓｔｈｅｔｉｃ  ｓｙｓｔｅｍにおけるベースプレート上のモバイルベアリングインサートの動きとを比較した。
【００４６】
メニスカスタイプの（モバイルベアリングインサートが内側と外側の２つに分かれていて、各々脛骨ベースプレートに掘られた溝なりに前後方向の可動性があるもの）を例にとると、現在のモバイル型人工膝関節ではインサートはベースプレートの中心付近の周りを同心円的に回転するように設計されているが、本法により設計されるモバイルベアリングインサートは、「関節の運動に効果が大きく、関節接触面により近い靱帯付着部の周りを回転する」のが合理的であることが導出される。
【００４７】
本法により、蝶番関節の関節接触面の動きが把握される。すなわち、モバイルベアリングインサートは、単に関節面の中心付近の周りを同心円的に回転するのではなく、関節の運動に効果が大きく、関節接触面により近い靱帯付着部の周りを回転することが導出される。このモバイルベアリングインサートの軌跡は、本法により定量化され、人工関節のモバイルベアリングインサートとベースプレート部分は具体的に設計される。
【００４８】
＜ロボットジョイント連結部におけるデータ処理＞
ここでは、前述の「人工関節の設計方法」を前記段落｛００３８｝にて述べたように、ロボット骨格のジョイントの製作へ技術展開する手法として、連結部のデータ処理の方法を提案するものである。
【００４９】
一般に、動物の関節を連結・支持する靱帯の付着部は各々のコンポーネント上の一点に付着していることはなく、したがって医療用目的の人工関節の設計では、生体関節の靱帯付着部面上のできるだけ多くの点を連結部として計算に入れて設計することが望ましい。しかし、多くの連結点の空間座標を前述の「人工関節の設計方法」に代入して計算することは、人工関節の設計のみならず、この技術をロボット骨格に展開する際に、計算が非常に煩雑になる。そこで、ここでは、「人工関節の設計方法」でジョイントを製作する際、コンポーネントの連結部のデータを簡単に処理することを可能にする方法を明確化する。
【００５０】
ある関節角度でその肢位を安定させるために力学的に寄与している連結部を代表する点を、力学的活性中心（ａｃｔｉｖｅ  ｃｅｎｔｅｒ）と定義し、次の式で示す。
【数３２】
2005007157.tif 000034
ただし、ＡＲk はある連結部Ｏk の力学的活性中心であり、ＫT ：コンポーネントの連結部の総数、ＯＯK ：連結部ＯK の空間座標と定義する。
【００５１】
＜具体的な実施例＞
「２つの連結点を有するジョイントの設計」
ロボットハンドの指関節を想定し、２つの連結点を有するジョイントの接触面の形状を計算した。また、このジョイント接触面の変位方向と力の方向を計算した。この結果を図１０に示した。直行座標において、ｘ軸をジョイントの回転軸、ｙ軸を回転方向、ｚ軸をコンポーネントの長軸と定義する。ジョイントを構成するコンポーネントの２つのａｃｔｉｖｅ  ｃｅｎｔｅｒを、以下、ＡＣ1 、ＡＣ2 、それら各々の力学的活性中心をＡＲ1 、ＡＲ2 とすると、
【数３３】
2005007157.tif 000035
と仮定した。
【００５２】
ジョイント接触面の形状は、「人工関節の設計方法」を用いて、
【数３４】
2005007157.tif 000036
と表され、また、このジョイント接触面の変位ベクトルＶ、および接触面が受ける力のベクトルＡは、前記段落｛００３９｝以降で述べた「モバイル型人工膝関節における脛骨ベースプレートとモバイルベアリングインサート部分の設計方法」を用いて、以下のように計算される。
【００５３】
【数３５】
2005007157.tif 000037
【００５４】
「４つの連結点を有するジョイントの設計」
次に、２つの連結点を有するジョイントより少し複雑なものとして、４つの連結点を有するジョイント（すなわち動物の膝関節に相当するジョイント）の接触面を計算した。一般的に、動物の膝関節の安定性には４つの靱帯の関与が大きい。すなわち、前十字靱帯、後十字靱帯、内側側副靱帯、外側側副靱帯の４靱帯である。各々の靱帯付着部は、動物関節の靱帯付着部を示す図１１のように広範囲に付着し、この中で安定性に寄与する部位は関節の角度によって付着部内を移動する。この移動は関節面形状の変化と相互に関係し合っている。図１１のＡ図はブタの指関節で、中手骨−基節骨間関節側副靱帯の靱帯構成で、右図はこの靱帯の遠位側骨（基節骨）拇指側付着部を剥離している。Ａ図下部はシェーマに剥離した付着部を斜線で示した。図１１のＢ図は、Ａ図で示した基節骨拇指側の側副靱帯付着部上で、関節の安定性に寄与している部分を力学的活性率を用いて示した。対象とした測定ポイントは６５５ポイントである。
【００５５】
一般に、関節は、関節の角度による「有効な靱帯付着部の移動−関節接触面の形状変化の調和」は軟骨の変形で保たれているが、膝のような非常に靱帯構造が複雑な関節では、関節内部に半月板という介在物が存在し、この半月板の移動と変形で「有効な靱帯付着部の移動−関節接触面の形状変化の調和」が保たれている。図１２、図１３によって前記の４靱帯の付着部群を力学的活性中心という各１点に置き換え、これらを「人工関節の設計方法」に適用し、ヒトの膝関節を計算したシミュレーション図を示し、実際の死体関節と比較した。図１２は４つの連結点を有するジョイントの接触面の形状の割面図で、広範囲に付着する靱帯付着部を４つの力学的活性中心に置き換えて計算した関節面（上図）は、ほぼ実際の動物の関節接触面の形状（下図）を再現している。図１３は４つの連結点を有するジョイントの接触面の形状の屈曲位と伸展位のシミュレーション図で、膝関節節を想定し、関節角度で異なった構成をする４点の力学的活性中心にて、屈曲位と伸展位のシミュレーション図計算設計した。膝関節の脛骨側に関して実際の写真と対応させて示す。
【００５６】
＜効果＞
力学的活性中心によると、「人工関節の設計方法」を動物的な運動をするロボット関節の設計方法に展開することが可能になる。コンポーネントを連結する固定点は、動物関節では靱帯の付着部であり多数の連結点より構成するが、ロボットのジョイントではコンポーネントの連結点の数は限られ、製作上簡便である。ロボットに動物から得られた動きを再現させるためのロボット骨格用ジョイントの製作を目的として、コンポーネントの連結点を力学的活性中心として定義して、この算出方法を示した。力学的活性中心は、動物関節の靱帯付着部群を各々代表する点に関しロボット関節の連結点に置き換えたものであり、非常に複雑な支持機構を有する動物関節の形態を、シンプルなロボット関節の形態に置き換える手段となる。
【００５７】
以上、本発明の人工関節の設計方法の実施の形態を説明してきたが、本発明の趣旨の範囲内で、人工関節を構成する骨材（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）の関節接触面以外の形状、形式、材質、データを入力して所定の計算式により関節接触面の形状を解析・設計する対象装置（コンピュータにおけるＣＡＤ等）の種類、静的支持要素の種類（靱帯、関節包等の受動的に関節の支持性を担う組織の状態がパラメータとして採用し得る）、個体毎の力学的活性率の解析手法、モバイル型人工膝関節の設計方法における、脛骨ベースプレート上を滑走する半月板に相当するモバイルベアリングインサートの変位ベクトルおよび力のベクトルを計算した人工関節界面の動きの定量化形態、ロボットジョイント連結部のデータ処理方法における、所定の関節角度でその肢位を安定させるために力学的に寄与している連結部を代表する点の力学的活性中心としての定義形態等については適宜選定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の人工関節の設計方法の解析のための関節部の模式図である。
【図２】同、ベクトル場中で回転する集合体の運動状態説明図である。
【図３】同、複数の固定点がはりＳに及ぼす力学的影響の説明図である。
【図４−Ａ】同、ヒト股関節における大腿骨骨頭形状および架空における関節接触面形状のシミュレーション写真図である。
【図４−Ｂ】同、ヒト膝関節における大腿骨側関節接触面形状およびヒト膝関節における脛骨側関節接触面形状のシミュレーション写真図である。
【図５】同、ブタを実験動物とした骨材の接触面のシミュレーション写真図である。
【図６】同、多数の静的支持要素の各付着点の力学的活性率が、関節の角度で変化する場合の関節面の変化を示す写真図である。
【図７】同、ブタを実験動物とした骨材連結部の力の分布例を示す写真図である。
【図８】同、複数の靱帯付着部が２群として存在するときの関節接触面の変化図である。
【図９】本発明のモバイル型人工膝関節への適用におけるモバイルベアリングインサートの動きの従来のものとの比較図である。
【図１０】本発明のロボットジョイント連結部におけるデータ処理における２つの連結点を有するジョイントの接触面の形状、変位ベクトル、力のベクトル図である。
【図１１】同、動物関節の靱帯付着部の写真図である。
【図１２】同、ヒトの膝関節を計算したシミュレーション図である。
【図１３】同、屈曲位と伸展位のシミュレーション図である。
【図１】
2005007157.tif 000039
【図２】
2005007157.tif 000040
【図３】
2005007157.tif 000041
【図４−Ａ】
2005007157.tif 000042
【図４−Ｂ】
2005007157.tif 000043
【図５】
2005007157.tif 000044
【図６】
2005007157.tif 000045
【図７】
2005007157.tif 000046
【図８】
2005007157.tif 000047
【図９】
2005007157.tif 000048
【図１０】
2005007157.tif 000049
【図１１】
2005007157.tif 000050
【図１２】
2005007157.tif 000051
【図１３】
2005007157.tif 000052
【手続補正書】
【提出日】平成16年4月27日(2004.4.27)
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
そこで本発明は、前記本件発明者の提案になる「関節の形態を表現する計算式」をさらに改良して、前記計算式に静的支持要素の状態を付加することで、利用者である個体の静的支持要素の状態に適合した最適の挙動が可能な人工関節と、義肢用関節、ロボットジョイントおよび産業器械用ジョイントの設計方法およびそれにより製作された人工関節構造を提供することを目的とする。